你长肌肉我放电：发电器官养成指南

2018-05-07

　　自然界中能放电的动物非鱼类莫属——在类似的生长里，电鳗、电鳐、电鲶这些亲缘关系并不相近的鱼类，共同演化出了能够发电的器官。为了弄清这种演化背后的秘密，美国数个科研院校组成的研究团队通过分析放电鱼类的基因组和组，对这些鱼类演化出发电器官的机制进行了阐述，甚至提示了将普通肌肉转变为发电器官的可能方式。这篇极富洞见的研究于2014年6月27日发表在《科学》上[1]。果壳网就此对其通讯作者，得克萨斯大学的神经生物学家哈罗德·扎肯(Harold Zakon)进行了专访。

　　“发电细胞是一类演化上十分新颖的细胞，至少演化出了六次，”扎肯教授介绍道，“它们是研究复杂性状演化径是否相同的很好的模式系统。”不仅如此，由于这些鱼儿依靠电信号相互交流，发电细胞的演化也能反映生物通信系统和通信信号的演化。“我们研究的主要发现在于，虽然不同的鱼类演化出发电器官的过程是的，但这种演化所涉及的似乎都是同样的因子。”

　　人类对发电鱼类的从古埃及时候就有了——那时，古埃及的人们把电鳐(Torpediniformes)作为治疗癫痫的理疗工具。在维多利亚时代，当这些"水中皮卡丘"被带到欧洲时，人们甚至会组织来排队体验它的威力。甚至早期的电学研究也有一部分灵感来源于此。

　　尽管在人类历史上一直有着很强的存在感，发电器官在演化史上的出现其实较晚，大概在新生代。拥有发电器官的鱼类亲缘关系不近，以致我们可以认为，几乎每种发电鱼类都演化出了发电器官。当年就把它们作为趋同演化(convergent evolution)的典型案例之一。他曾解剖过电鳗，发现几乎电鳗所有的脏器都挤在前五分之一的身体里，而剩下的则是三个似肌肉又非肌肉的器官。后来的生理研究发现，这就是发电器官——它们大多是特化的肌肉组织，其中的细胞大多失去了肌肉机械拉伸的力量，离子通道密集的细胞膜下陷折叠，共同产生出可观的电势差。当它们起来，便会像电池一样将电压放大。这样的器官在各类发电鱼类中都能找到，虽然形态各异，但原理相似。

　　涵盖了发电鱼类的系统发生图。各类发电鱼类的亲缘关系较远，发电器官更有可能是趋同演化的结果。图片来源：Gallant JR,et al.(2014)Science.

　　发电鱼类在许多地区都有分布——南美洲的裸背鱼(Gymnotiformes)，热带海洋里的电鳐(Torpediniformes)，非洲的象鼻鱼(Mormyriformes)和电鲶(Siluriformes)等等，不一而足。是怎样的选择压力使它们演化出发电器官?“这些鱼中的大部分不是有夜行习性，就是生活在浑浊的溪流里。”扎肯教授解释说，“它们没法看清楚。有了弱的发电器官和感觉受体来感测微弱的电场之后，这些鱼就能周围的，并进行通讯。强的发电器官则能让它们电晕猎物或者赶走天敌。”

　　研究小组首先对电鳗(Electrophorus electricus)进行了基因组测序，又从它们不同的组织中提取了RNA，测定了它们的组。电鳗的发电器官能发出高达600伏特的电击。“电鳗虽然只是一个，但它们有三种不同的发电器官。我们研究了这三种器官在该种内的演化方式，”扎肯告诉果壳网。在归纳出发电器官的表达特性后，他们又进而对另外四个的发电器官和正常肌肉组织进行了组测序，这些分别是线鳍电鳗(Sternopygus macrurus)，青色埃氏电鳗(Eigenmannia virescens)，壮象鼻鱼(Brienomyrus brachyistius)和电鲶(Malapterurus electricus)。

　　电鳗是这项课题的主要研究对象。图片来源：Jason Gallant/ Michigan State University

　　在分析数据时，研究人员们在不同种类的鱼、不同类型的发电器官中发现了一些惊人的一致性：在肌肉分化的早期，某几个基因都出现了表达上调——它们编码的蛋白类型叫做因子，能够与更多基因的位点结合，改变它们的表达状态。这些因子的变化进而通过细胞内已有的通触发了一系列变化，包括许多肌原性基因的下调，兴奋性的增强，肌肉特有的兴奋-收缩偶联特性的减弱，绝缘性的增强，以及个头变大等。就是这么几个固有的因子，让它们具有了放电的能力。

　　“我们的结果表明，发电器官并不是从多种途径演化来的。”扎肯说道，“类比一下，想象有一座城市：蛋糕店、餐厅，和修鞋店都在城里营业，并且都有外送服务。他们都会用城市里已经的，而不会去修造新的。这样，利用已有的材料是更容易、更便宜，也可能是唯一可行的方法。”类似的例子比比皆是，正如生物学家弗朗索瓦·雅各布(François Jacob)所言[2]，演化是个“小气的修理匠”，只会利用后院杂物堆里已有的东西来发挥灵感，并且不情愿一次引入太多变化。“演化‘利用’了这些肌肉里已经存在的道(基因网络)来多次制造发电器官，而不是从头搭建全新的基因网络。”扎肯说道。

　　“四年前当我们着手该研究时，给电鳗的基因组测序真的有很大的工作量。现在，中国的华大基因和其它机构能很快完成类似的工作，”说起研究过程，扎肯对生物技术的发展充满了感慨。“现在困难的部分在于，通过在非发电鱼类的体内这些基因，尝试让它们的肌肉成为发电器官，从而检测我们的猜想。”相信在不久的将来，放电将不再是这些鱼儿的专利。